9.3.1 串行、并发与并行

### 9.3.1 串行、并发与并行 计算机执行程序时，如果采用按顺序执行的方式，即仅当一个程序执行完毕，下一个程序才能开始执行，则称为串行（serial）执行。在串行执行方式下，CPU 每次由一个程序独 占使用，只要当前程序还没有结束，下一个程序就不能使用 CPU。这就像排队买东西，营 业员（即 CPU）每次只为一个顾客服务，等前面的顾客走了，后面的顾客才能获得服务。 串行执行方式有一个缺点，即 CPU 的利用率不高。例如，当一个程序正在等待用户输 入，这时 CPU 会在相当长的时间内无事可做；但因为程序还没结束，所以 CPU 又不能去执行别的程序。 为了提高 CPU 的利用率，计算机可以采用这样的执行方式：当程序 P1 因为等待输入或 其他原因而暂时不用 CPU 时，CPU 就去执行另一个程序 P2；当 P1 结束输入时，CPU 再回 去继续执行 P1。 其实这种执行方式并不稀奇，现实中就有很多类似的做法。例如，在邮局的服务窗口前 有多人排队，如果第一个顾客要寄特快专递，需要填写很多信息，这时营业员就处于空闲状 态。假设排在第二的顾客只是想买张邮票，这时如果营业员严格按照排队原则讲究先来后到 的话，那么即使没事做也不能为后面的顾客服务，非得等到第一个顾客的事情处理完毕才接 待第二个顾客。这种方式显然是非常低效的，服务质量很差。相反，如果营业员能够趁第一 个顾客填写信息时抽空为后面的顾客办理业务，就能大大提高服务效率。又如，厨师做菜时， 如果一个菜正在锅里煮着，厨师肯定会去处理第二个菜，而不是非要等到第一个菜做好了才 去做第二个菜。 那么，计算机能不能实现上述执行方式呢？ 计算机程序的执行是由操作系统控制的，而现代操作系统都支持“多道程序”或“多任务”，即允许多个程序同时执行。相信读者都有同时运行多个程序的经验：一边打开浏览器 浏览网页，一边打开 MP3 播放器听音乐，一边还挂着 QQ 聊天程序。注意，这里所谓的“同 时”是在宏观意义上使用的。在微观上，一个 CPU 不可能真正“同时”执行程序，因为 CPU 在任一时刻只能执行一条指令。操作系统其实是在让多个程序分时使用 CPU，即 CPU 一会 儿执行 P1 程序的若干条指令，一会儿又转而执行 P2 程序的若干条指令，然后又回到 P1 继 续执行它的指令。总之，CPU 不停地在多个程序之间切换执行。由于 CPU 的运算速度非常 快，用户感觉不到这种切换过程，因此从宏观上看，就好像多个程序在同时执行一样。这种 多个相互独立的程序交叉执行的方式称为并发（concurrent）执行。并发执行的多个程序的 起止时间是交叉重叠的，而不是串行执行方式下的前后相继。 当然，如果计算机系统中有多个处理器（核心是 CPU），那么就可以做到真正的多个程 序“同时”执行，因为各 CPU 可以在同一时刻执行各自的指令。为了与单一 CPU 上的并发 相区别，我们称这种执行方式为并行（parallel）执行。事实上，当今计算机技术的一个发 展方向就是多处理器并行计算。例如，中国的“天河一号”计算机曾经在全球最快计算机排 名中名列第一，它拥有 6144 个通用处理器和 5120 个加速处理器，其二期产品“天河一号 A”更是拥有 14336 个六核处理器、7168 个加速处理器和 2048 个八核处理器。即使在个人计算机领域，如今也普遍采用多核处理器，例如市场上已经有了 8 核处理器。